Космические гонки XX и XXI века, часть 5: время крылатых гигантов

статья выходного дня

Предыдущая статья - Лунные экспедиции Америки

После успешных полетов астронавтов на Луну у ракеты-носителя Сатурн-5 нашли недостаток. Сверхтяжелая ракета Вернера фон Брауна и все программа "Аполлон" были названы слишком дорогими для американского бюджета. Поэтому программу лунных и межпланетных полетов свернули и стали искать способы удешевить доставку грузов на околоземную орбиту. Считалось, что перспективе это позволит вернуться к межпланетным полетам на менее затратном для бюджета уровне.

Выход был найден в создании космических носителей многоразового применения, в отличие от одноразовых ракет-носителей 60-х годов. До нынешнего способа удешевления запусков - обеспечить посадку тяжелых первых ступеней ракет-носителей, на которые приходится большая часть их стоимости - тогда не додумались. Американцы стали создавать многоразовую систему заново и началась эра орбитальных самолетов - шаттлов. Эксперимент с шаттлами продолжался тридцать лет и по его итогам США уступили первенство на околоземной орбите России, которая продолжила использовать советские одноразовые технологии.

Но поначалу, еще на заре шаттлов Советский Союз устремился в гонку за Америкой и создал собственный шаттл - космическую систему "Энергия-Буран".

Одноразовость и многоразовость носителей космических аппаратов

Все страны мира выводят свои спутники на одноразовых ракетах-носителях и только одна страна - США создает и эксплуатирует частично многоразовую технику. Первой в 70-годы была выдвинута концепция орбитального самолета-шаттла с внешним топливным баком. Топливный бак, размер которого превосходил размеры шаттла, декларирован единственной одноразовой частью системы. Он сбрасывается незадолго до выхода шаттла на орбиту и сгорает в атмосфере. Сам шаттл выходит на орбиту и выполняет задачи космического полета. А после схода с орбиты выполняет управляемое торможение в атмосфере и садится на аэродром в режиме планера с низким аэродинамическим качеством, наподобие летающего утюга.

Для шаттлов были созданы новые кислородно-водородные РД замкнутой схемы - RS-25, намного более мощные и совершенные, чем относительно примитивные РД J-2 Сатурна-5. Компания Rocketdyne подняла их тягу более чем вдвое - до 223 тонн и удельный импульс на 6.5% - до 452.5 сек. Три таких двигателя устанавливаются на многоразовом орбитальном самолете и также предназначаются для многократного использования - до 25 раз (в то время как сам самолет-шаттл рассчитан на 100 полетов).

В RS-25 используется схема с дожиганием восстановительного генераторного газа (ДВГГ). Такие РД считаются гораздо более надежными, чем РД с дожиганием окислительного генераторного газа (ДОГГ), применяемые в советских и российских керосиновых РД поколения 80-90 годов. И действительно, RS-25 получились почти безотказными!

У водородных РД в газогенераторы (их может быть один или два) подается весь водород и небольшая часть кислорода, после чего образуется горячий генераторный газ, состоящий из водорода и воды. Он приводит в действие турбину ТНА и подается в камеру сгорания. В отличие от этого, у керосиновых РД с ДОГГ генераторный газ содержит избыток кислорода - он взрывается при наличии в топливе горючих примесей, например, алюминиевой стружки. Двигатели с ДОГГ американцы не производят сами, а вместо этого покупают их у российского "Энергомаша".

Но какими бы совершенными не были РД RS-25, они выходили на полную тягу только в верхних слоях атмосферы. А чтобы поднять шаттл с Земли и придать ему первоначальный разгон, им нужна помощь. Роль "костылей" сыграли два огромных твердотопливных ускорителя (ТТУ). Они тоже предполагались многоразовыми, поскольку после выполнения своей задачи садились в воду на парашютах. ТТУ буксировали на берег, разбирали и снова заряжали топливом для следующего запуска.

Американский подход к безопасности космических полетов

ТТУ играли еще одну важную роль - своеобразной системы аварийного спасения экипажа. Все полеты американских шаттлов были пилотируемыми, но при этом по соображениям экономии массы не были предусмотрены ни катапульты, ни система отстрела кабины (точнее, катапультируемые кресла применялись только в первых испытательных полетах "Колумбии"). Если шаттл терпел аварию, то ТТУ поднимали его на штатную высоту, откуда орбитальный самолет мог спланировать и сесть на аэродром. Считалось (и это действительно так), что ТТУ практически безотказны и не могут подвести.

Данная схема спасения экипажа критиковалась многими, в том числе создателем лунного супертяжа Вернером фон Брауном. Если терпящая бедствие ракета взрывается, то совершенно нереалистично пытаться вытащить ее на высоту - надо немедленно отделять капсулу с экипажем. Но вместо очевидного, хорошо известного и единственно верного решения кабинетные стратеги НАСА создали множество схем спасения экипажа, рассчитанные в основном на т.н. "легкие аварийные режимы". А иначе система входила в состояние потери экипажа и корабля (Loss of Crew and Vehicle, LOCV).

Но если экипаж "шаттла" каким-то чудом удалось бы спасти, то вместе с ним были бы спасены и дорогие спутники, находящиеся в грузовом отсеке. Это обещало значительную экономию средств, поскольку стоимость спутников очень велика и в настоящее время намного превосходит рыночную стоимость запуска коммерческих РН. Что же касается жизни людей, то меркантильные американцы понадеялись на совершенство своих космических технологий - которые блестяще показали себя в программе "Аполлон", сотворив американское лунное чудо.

Вообще шаттлы гораздо лучше подходили для доставки грузов, чем людей - если российские "Союзы" можно сравнить с легковым автомобилем, оборудованным всевозможными средствами безопасности, то шаттл - как грузовой фургон военных лет, где люди едут в кузове, как придется.

Неоднозначный опыт полетов "шаттлов"

Шаттл "Колумбия" полетел в космос 12 апреля 1981 года - в 20-ый день космонавтики, чтобы окончательно закрыть эру одноразовых носителей и свести на нет роль космических ракет Советского Союза. Он был технически совершенной космической машиной. Только в одном полете из 135 шаттл не долетел до орбиты - такой статистики нет нигде в мире ни у одной средней или тяжелой ракеты - носителя. Российский Протон-М, например, выдал Роскосмосу 5 аварий в 109 полетах, ненамного лучше статистика и у новомодного американского Фалкона-9 - 3 потерянных спутника в 83 полетах.

Но российская ракета-носитель "Протон" оказалась намного дешевле американских шаттлов, даже несмотря на страховые отчисления из-за частых аварий. Как так могло получиться - ведь нам обещали, что многоразовая космическая система должна стать дешевле одноразовой?

Значительную часть стоимости запуска составляет подготовка носителя к старту. Эти затраты для системы Space Shuttle, стартовая масса которой составляет 2030 тонн, намного больше, чем для Протона с его стартовой массой 705 тонн. При этом масса полезной нагрузки одинакова - 24.4 тонны и 23.7 тонны соответственно. Систему Space Shuttle подвел тяжелый орбитальный самолет, который весит 68.5 тонн. Затраты на систему возвращения с орбиты, экипаж до 8 человек - за все это приходится платить увеличением стартовой массы системы.

Отдельной песней стали твердотопливные укорители. Компания Thiokol Chemical получила контракт на создание твердотопливных ускорителей, занизив в три раза реальную стоимость расходов на транспортировку. В итоге стоимость спасения из океана, транспортировки и восстановления ТТУ оказалась непомерно велика. Одно только восстановление ТТУ вытянуло на половину стоимости новых ускорителей.

А также после каждого полета шаттла проводилось дорогостоящее обслуживание и ремонт трех маршевых двигателей RS-25, которые для этого снимались с "челнока". Их ресурс оказался ниже ожидаемых 25 полетов.

Теоретически для программы Space Shuttle должно было хватить 21 РД RS-25, на деле их было использовано 46. Даже с учетом того, что шесть РД были преждевременно утрачены в катастрофах "шаттлов", их средний ресурс оказался менее 10 полетов.

Кроме того, на орбитальном самолете заменялось шасси и подлежало длительному восстановлению теплозащитное покрытие, состоящее из более чем 31 тыс. теплозащитных плиток с индивидуальной геометрией. Вес одной только тепловой "брони" Шаттла составлял более 7 тонн, т.е. примерно столько же, сколько весит советский трехместный космический корабль "Союз". Межполетное обслуживание "шаттлов" занимало два месяца вместо первоначально положенных двух недель.

В итоге стоимость запуска "Шаттла", которая первоначально оценивалась в 10 млн долл. составила около 150 млн долл. Многоразовая система оказалась непомерно дорогой даже для самого наполненного в мире американского бюджета.

Насколько совершенным технически был сам шаттл, насколько же негодной оказалась его концепция аварийного спасения экипажа. Обе трагических полета - "Челленджера" в 1986 году и "Колумбии" в 2003 году были запрограммированы отсутствием средств аварийного спасения. Если бы такие аварии проходили с беспилотным космическим носителем - то его статистика полетов считалась бы превосходной! Но погибли люди, и это окончательно приговорило программу многоразовых пилотируемых "челноков". В 2011 году программа Space Shuttle была закрыта и США на десятилетие прекратили пилотируемые полеты в космос.

А тем временем в Советском Союзе

Пока американцы проектировали свой шаттл, в Советском Союзе разворачивалась аналогичная космическая программа. Почему же страна, которая тратила свой ограниченный бюджет на поддержание военного паритета с мощным соперником, ввязалась в столь затратную космическую гонку? Советское руководство отслеживало ход проектирования американской многоразовой системы и его встревожили данные об увеличении возможностей бокового маневра орбитального самолета до 2000 км. Обычно космические аппараты садятся, не маневрируя по курсу, но в шаттлах боковой маневр было заложен - причем по просьбе Пентагона.

Официально большой боковой маневр требовался для посадки шаттла на военные аэродромы. Но появилась и альтернативная версия о "нырке шаттла над Москвой", которая на полном серьезе изучалась в Институте прикладной механики АН СССР. Орбитальный самолет, заряженный ядерными бомбами, мог спуститься в атмосфере до высоты менее 80 км - маневрируя, чтобы обойти противоракеты советской системы ПРО и сбросить на Москву свой смертоносный груз. А затем улететь обратно на орбиту, чтобы сесть в Америке за новыми бомбами. Таким образом, шаттл - еще в 70 годы - рассматривался как маневрирующее гиперзвуковое оружие, способное преодолеть заточенную под обычные баллистические ракеты систему ПРО.

Доподлинно неизвестно, действительно ли американцы намеревались создать гиперзвуковое оружие (даже если думали, то после ценового шока из-за дороговизны шаттлов эти планы сошли на нет). Тем не менее, было решено построить аналогичную систему со своим, похожим на шаттл орбитальным самолетом. Вторичность советской космической программы оказалась и в том, что новую космическую систему было решено сделать вслед за американцами - многоразовой, с максимальным повторным использованием всех компонент.

Поражение в лунной гонке оказало неизгладимое воздействие на советское руководство и с тех пор он могло помыслить только о том, чтобы по возможности точнее воспроизводить американскую "генеральную линию".

Например, почему для создания многоразовой космической системы не использовали королевскую ракету H-1, которая позволяла реализовать многоразовость проще, быстрее и дешевле? В 70-годы для H-1 были готовы РД НК-33 многократного включения с большим ресурсом. Экстремальные тесты нового ракетного двигателя в КБ Кузнецова продолжались до 15000 секунд, а ВБР было доведен до 0,9994. Конструкция первой и второй ступеней H-1 идеально подходила для вертикальной реактивной посадки.

Но увы, Королева в это время уже не было в живых, а Илон Маск был еще лялькой и по этой уважительной причине не мог стать ориентиром для руководства СССР. Авторитетное мнение отечественных специалистов, выступавших за продолжение программы H-1, в их числе одного из создателей Р-7, директора и генерального конструктора ЦСКБ-Прогресс Дмитрия Ильича Козлова, было проигнорировано. Готовую к полетам сверхтяжелую ракету H-1 объявили технически и морально устаревшей.

СССР бодро устремился вдогонку за соперником - и была создана уникальная ракетно-космическая система "Энергия-Буран"!

Система "Энергия-Буран"

Система "Энергия-Буран" создавалась по инициативе и под общим руководством академика В.П.Глушко (главный конструктор с 1982 года - Б.И.Губанов) в интересах министерства обороны СССР. Несмотря на внешнее сходство и схожее назначение, она получилась принципиально отличающейся от своего американского аналога.

Вместо двух твердотопливных стартовых ускорителей в ракете "Энергия" применялись четыре керосиновых блока на вновь созданных самых мощных керосиновых "царь-двигателях" - четырехкамерных РД-170 с земной тягой 740 тонн и удельным импульсом 310 сек. Поразительные технические характеристики были получены за счет повышения давления в камере сгорания до 242 атм. Двигатель был многоразовым - на 10 полетов, а боковые блоки предполагалось садить по сложной парашютно-реактивной схеме и использовать повторно. Отсеки для средств возвращения были предусмотрены на боковых блоках "Энергии", но сами средства посадки не поспели к ее испытаниям.

Создание РД-170 преследовало две цели. После неудач ракеты H-1 и по примеру успешной американской ракеты Сатурн-5 было решено сократить число РД на первой ступени. И его сократили - с 30 до четырех! Кроме того, мощный РД позволил сделать ускорители достаточно компактными для перевозки по железной дороге, что упростило их доставку на Байконур. Это пригодилось в программе РН "Зенит", где используется упрощенный вариант РД-171.

Для сокращения стартовой массы ракеты и требований к стартовой тяге, по примеру американцев и впервые в советском ракетостроении использовали водород. Центральный блок "Энергии" был водородным на четырех РД-0120 с тягой в вакууме 200 тонн и удельным импульсом 455 секунд. Благодаря наличию собственных РД он мог выводить на боковом подвесе любую полезную нагрузку, а не только орбитальный самолет.

"Энергия" стала сверхтяжелой ракетой, которое не было и не могло быть у США после скоропалительного отказа от программы "Сатурн-Аполлон". При стартовой массе 2400 тонн она могла выводить на низкую орбиту (по проекту) до 90-100 тонн, а на высокую (ГСО) - 18 тонн. Это в четыре раза больше, чем позволяла американская система Space Shuttle!

Естественно, что в арсенале был и собственный ракетоплан "Буран" (генеральный конструктор Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский). В отличие от американского шаттла, он мог выполнять свои задачи в автоматическом режиме, на подвергая опасности свой экипаж. И конечно, он мог применяться для доставки различных грузов на орбиту, хотя в этом плане был таким же экономически неэффективным, как шаттл.

Как мы видим, советская школа ракетостроения, несмотря на установку следовать за американцами, все-таки создала что-то свое. Стареющее Политбюро ЦК КПСС было вполне удовлетворено внешним сходством с шаттлами, в то время как концепция системы Энергия-Буран оказалась оригинальной, исправляющей наиболее очевидные промахи американских ракетостроителей.

Жаль только, что из-за необходимости пресловутого гиперзвукового бокового маневра пришлось снабдить российский шаттл слишком большими крыльями и утяжелить его вслед за американским аналогом - но требовалось обеспечить внешнее сходство с "шаттлом" и соответствующие характеристики по маневренности. Лозино-Лозинский предлагал сделать более адекватную конструкцию с несущим корпусом, но с итоге ему пришлось скопировать шаттл. Для сравнения отметим, что современная российская гиперзвуковая боеголовка "Авангард" вообще лишена крыльев и это отражается на ее боевых качествах только в положительную сторону.

Есть ли у системы "Энергия-Буран" недостатки? Да, есть и весьма существенные, помимо уже упомянутых крыльев. Ракетные царь-двигатели РД-170/171 называют "бриллиантовыми" за их высокую стоимость и длительный цикл производства. Несмотря на предпринятые усилия по увеличению мощности и сокращению числа РД, оценочная вероятность безаварийной работы (ВБР) советского челнока была существенно меньше, чем у "шаттлов", т.к. керосиновые ускорители менее надежны, чем твердотопливные. Но это была бы - не вероятная катастрофа с гибелью экипажа, как в случае "шаттлов", а всего лишь срыв выполнения задачи полета. Полезную нагрузку при этом предполагалось вернуть на аэродром "Бураном", если он оставался целым.

Боковые блоки РН "Энергия" испытывались во время двух тестовых запусков сверхтяжелой ракеты и в составе средних РН "Зенит" различных модификаций. Всего было проведено 92 отработки, из которых 3 были аварийными с потерей ракеты. Статистический ВБР керосинового ускорителя оказался равным 89/92 = 0.967, а всех четырех 0.967⁴ = 0.876. Т.е. примерно каждый восьмой полет советской "Энергии" должен был быть неудачным из-за отказа бокового ускорителя.

Ракета H-1, если довести до ума ее систему резервирования КОРД, обеспечит надежность выведения, близкую к 100%. Аналогичную ставку на резервирование множества РД сейчас делает Илон Маск в своей Big Falcon Rocket. Что касается РН "Энергии", то в ней резервирование взрывоопасных керосиновых РД отсутствует как понятие. Ставка, как мы уже отмечали, делается на увеличение мощности РД и сокращение их числа.

В 1987-1988 году ракета "Энергия" запускалась два раза - первый раз с 77-тонным макетом тяжелого спутника "Полюс" и второй раз с орбитальным самолетом "Буран". Оба запуска прошли успешно. А в 1989 году не стало вдохновителя и руководителя всей программы - академика Глушко, для которого система "Энергия-Буран" стала наивысшим достижением и победной точкой в принципиальном споре с С.П.Королевым. Интересно, что для "своей" сверхтяжелой ракеты Глушко все-таки сделал cверхмощные керосиновые двигатели, в которых отказал Королеву. Один из немногих титанов космоса, лично переписывавшийся с К.Э.Циолковским, завещал современникам развеять свой прах над Венерой.

Закат эпохи крылатых шаттлов

Увы, но выполнить последнюю просьбу Глушко оказалось некому. Как не получилось применить "Энергию" и "Буран" в космическом деле. Совершив технологический прорыв и догнав-таки США, Советский Союз устал и развалился на постсоветские республики. Ни у России, ни у Казахстана не нашлось достойного применения для доставшейся им в наследство новейшей космической системы. Наступило время разрядки международной напряженности и уровень вооружений стал стремительно сокращаться - гонка ракет уступила место международному сотрудничеству в космосе. Советские ракетные технологии оказались для этого очень востребованными - но, к сожалению, не такие, которые пугали наших новоявленных американских друзей своими титаническими масштабами.

От всей системы "Энергия-Буран" осталась осьмушка - украинская ракета-носитель "Зенит", первая ступень которой оснащена российским ракетном двигателем РД-171. "Зенит" летал до 2017 года с Байконура и "Морского старта" - про который написана наша статья - Американское прошлое и российское будущее космодрома "Морской старт". Американцы заказали себе половинку двигателя "Энергии" - двухкамерный РД-180 - для своей основной космической ракеты "Атлас-5". И только четвертушка РД-171 в виде однокамерного РД-191 была применена Россией в новой РН "Ангара", которая сейчас готовится к своему второму запуску на орбиту.

Что касается водородных технологий РН "Энергия", то они пока никому не пригодились. В 2002 году во время ремонтных работ на Байконуре обрушилась крыша МИК, который второпях построили еще в 60-е годы для сборки сверхтяжелой ракеты H-1. Погибли рабочие, которые выполняли ремонт кровли, были разрушены хранившиеся в МИКе две РН "Энергия" и орбитальный самолет "Буран". А в 2011 году совершил свой последний полет американский "шаттл". Гиперзвуковые космические мастодонты, которые изрядно потрепали бюджет двух сверхдержав, сошли с космической сцены.

Уникальная ракета с боковым подвесом ПН и рекордными характеристиками так и осталась вершиной отечественного и мирового ракетостроения. Сейчас в НАСА пытаются построить нечто подобное на основе технологий "шаттла" - и не могут. Масштабы работы оказываются слишком большими для нынешних космических агентств, которые гораздо охотнее занимаются совершенствованием электронных средств проектирования и документооборота, чем прорывными космическими проектами.

Не правда ли, "Энергия" походит на огромный летающий транспорт из будущего - кажется, что она сейчас взвалит на себя груз и полетит! Может быть... Эра космических супергигантов пока не торопится заканчиваться вместе с крылатыми "шаттлами". Следующая статья цикла будет о современных проектах свертяжелых носителей.

Сокращения:
РН - ракета-носитель
РД - ракетный двигатель
ПН - полезная нагрузка
ТНА - турбонасосный агрегат
ДОГГ - дожигание окислительного генераторного газа
ДВГГ - дожигание восстановительного генераторного газа
ТТУ - твердотопливный ускоритель
ВБР - вероятность безотказной работы
МИК - монтажно-испытательный корпус

С другими материалами Автомалиновки по освоению космоса можно познакомиться здесь:
Беспилотный космический грузовик от ГРЦ Макеева - проект КОРОНА
Новая Зеландия стала 12-ой космической державой благодаря частной компании
Электромобиль Tesla отправился в полет к Марсу
Исследовательский зонд New Horizons достиг самого дальнего объекта Солнечной системы
Китайцы совершили посадку на обратной стороне Луны
Проект колонии Mars One обанкротился
Самая доступная космическая ракета из Обнинска
Первый автомобиль Toyota на Луне
Солнечный зонд Parker Solar Probe поставил рекорд скорости
Автомобили будущего сегодня и какими они будут: электромобиль-планетоход
Космическая компания OneWeb банкротится из-за коронавируса
Американское прошлое и российское будущее космодрома "Морской старт"